DOSSIER RECAPITULATIF

CARTES MEMOIRES

TRICART CELINE

Introduction
Quelques précisions sur la mémoire dite « flash »

Cartes mémoires: Technologie

Memory Stick
Compact Flash

PCMCIA

SD CARD
Panasonic et la carte P2

Sony et la carte SxS
REDONE et le SATA FLASH 1’8

Conclusion
Sources

INTRODUCTION

Aujourd’hui plusieurs solutions de tournage « sans
bande » sont proposées par le marché. Moins onéreuses, et souvent plus
pratique pour la post-production numérique, ses solutions se divisent en trois
catégories : Le stockage sur disque dur, sur disque optique, ou bien sur
cartes mémoire. Les cartes mémoire arrivent à suivre avec difficulté sur le
débit (du fait de leur petite capacité, les meilleures plafonnent à 20 Mo/s),
mais sont favorisées sur le temps d’accès, quasi-immédiat. Je vais m’intéresser
à cette dernière catégorie, mise à la mode par les récentes évolutions du matériel
Panasonic et de ses cartes P2…

En effet les cartes mémoires sont rapides, sans
mécanique et relativement petites, ce qui permet de les empiler et même de mutualiser
l’enregistrement sur plusieurs destinations simultanées afin d’augmenter les
débits.  En 2003 Panasonic introduisait dans le monde des professionnels
de la prise de vue ses solutions à base de cartes mémoires baptisées P2. 2005
les premiers caméscopes/APN grand publics apparaissent avec des solutions MPEG-4
sur cartes SD, parallèlement de nouveaux caméscopes apparaissent avec un disque
dur intégré et en 2007 Sony emboîte le pas à Panasonic et instaure sa propre
solution de tournage sur cartes mémoires pour les professionnels : les cartes
SxS…

Quelques précisions sur la mémoire dite « flash »

La mémoire flash est une mémoire de masse à semi-conducteurs
réinscriptible, c’est-à-dire une mémoire possédant les caractéristiques d’une
mémoire
vive mais dont les données ne disparaissent pas lors d’une mise hors tension.
Ainsi, la mémoire flash stocke les bits de données dans des cellules
de mémoire, mais les données sont conservées en mémoire lorsque l’alimentation
électrique est coupée.

Sa vitesse élevée, sa durée de vie et sa faible
consommation (et même nulle au repos) la rendent très utile pour de nombreuses
applications : Appareils photo numériques, téléphones cellulaires, imprimantes,
assistants personnels (PDA), ordinateurs portables ou dispositifs de lecture
et d’enregistrement sonore comme les baladeurs MP3, clef USB. De plus, ce type de mémoire ne
possède pas d’éléments mécaniques, ce qui lui confère une grande résistance
aux chocs.

La mémoire flash est un type d’EEPROM (Electrically-Erasable Programmable Read-Only
Memory = mémoire morte) qui permet la modification de plusieurs espaces mémoires
en une seule opération. La mémoire flash est donc plus rapide lorsque le système
doit écrire à plusieurs endroits en même temps.

La mémoire flash utilise comme cellule de base un
transistor
MOS possédant une
grille flottante enfouie au milieu de l’oxyde de grille, entre le canal
et la grille. L’information est stockée grâce au piégeage d’électrons dans cette
grille flottante. La technologie flash se décline sous deux principales formes :
flash NOR et NAND, d’après le type de porte logique utilisée pour chaque cellule
de stockage. L’écriture et l’effacement des données dans une mémoire Flash (on
parle de programmation) s’effectuent par l’application de différentes tensions
aux points d’entrée de la cellule. Ces opérations soumettent la grille flottante
à rude épreuve ; on estime qu’une mémoire Flash peut supporter jusqu’à
100 000 écritures et effacements, selon la qualité de l’oxyde utilisé pour la
grille.

Il existe des système de fichiers spécialement
conçus pour la mémoire flash : JFFS, JFFS2, YAFFS. Ils permettent, entre autres, d’éviter
la réécriture répétée sur une même zone, ceci afin de prolonger la durée de
vie de la mémoire flash.

NOR

La flash NOR fut la première à être développée,
inventée par Intel
en 1988.
Les temps d’effacement et d’écriture sont longs mais elle possède une interface
d’adressage permettant un accès aléatoire et rapide à n’importe quelle position.
Le stockage des données est 100 % garanti par le fabricant.

Elle est adaptée à l’enregistrement de données informatiques
destinées à être exécutées directement à partir de cette mémoire. Cette caractéristique
est appelée XIP (eXecute In Place). De fait, la quasi totalité des OS
des appareils électroniques grand public sont stockés dans une mémoire NOR,
que ce soit dans les téléphones portables (principal marché des Flash NOR),
les décodeurs télés, les cartes mères ou leurs périphériques (imprimantes,
appareils photos, etc.).

Du fait de son coût, bien plus élevé que celui de
la NAND et de sa densité limitée, elle n’est en général pas utilisée pour le
stockage de masse.

NAND

La flash NAND, développée par Toshiba, suivit en 1989. Elle est plus rapide à l’effacement et à
l’écriture, offre une plus grande densité et un coût moins important par bit.
Toutefois son interface d’entrée / sortie n’autorise que l’accès séquentiel
aux données.

Le fabricant en général ne garantit pas le stockage
des données à 100 % mais un taux d’erreurs inférieur à une limite donnée.
Cette fiabilité limitée nécessite la mise en place d’un système de gestion des
erreurs (ECC
– Error Code Correction, Bad blocks management, etc.) au niveau de l’application
— comme cela est le cas, par exemple, pour les disques durs. Cela tend à limiter
— au niveau système — sa vitesse effective de lecture et à compliquer le boot
direct à partir d’une mémoire NAND. De ce fait elle est moins bien adaptée que
la NOR pour des applications de type XIP. Elle est donc utilisée pour le stockage
d’informations. Quasiment toutes les mémoires de masse externes MultiMediaCard, Secure
Digital et Memory Stick sont basées sur ce format.

Cartes mémoires: Technologie

Une carte mémoire est une unité de stockage de données
numériques utilisée le plus souvent pour le stockage des clichés numériques
dans les appareils photo numériques,
pour la sauvegardes de parties sur consoles de jeux vidéo, mais
aussi dans des lecteurs de musique MP3
ou des appareil électroniques professionnels.

Généralement ces cartes sont incompatibles les unes
par rapport aux autres. Cependant il existe sur le marché des petits boîtiers
multilecteurs (en anglais «Multi-Card Reader»), utilisables par le port USB ou PCMCIA de l’ordinateur, ou intégrés dans les
ordinateurs fixes ou portables, et capables de lire de nombreux formats. Il
existe également des adaptateurs pour lire un type de carte sur un appareil
destiné à lire un autre type : par exemple lire une CompactFlash
sur un port PCMCIA. Toutefois, ces adaptateurs peuvent lire un type de carte
qui est compatible. Comme dans l’exemple CompactFlash et PCMCIA, ces deux formats
sont compatibles puisque les cartes CompactFlash sont en quelque sorte des cartes
PCMCIA miniaturisées.

Différentes cartes :

• La carte
  SD ou Secure Digital : Elles
  ont le même format physique que les MMC et sont compatibles avec celles-ci.
  Elles s’en distinguent par la possibilité de chiffrer les données et de gérer
  les « droits d’auteurs ».
• La carte
  CF ou CompactFlash :
  Il s’agit en fait de cartes PCMCIA
  raccourcies. On distingue les cartes CompactFlash de type I (CFI) et de type
  II (CFII) qui se distinguent par l’épaisseur. Dans les cartes CompactFlash,
  on trouve aussi les Microdrive (les premiers furent lancés par IBM) qui sont
  des micro disques durs. La capacité maximale admise par la norme 2.0 utilisée
  actuellement est 137 Go. C’est le modèle de carte utilisé pour les appareils
  photo professionnels.
• La carte
  MS ou Memory
  Stick : Elle offre un stockage maximal de 8 Go fin 2006.
  Elle est surtout utilisée par les APN de la marque Sony. Il y en a plusieurs variantes (Pro duo,
  micro…), censé remplacer les SmartMedia. De taille beaucoup plus petite
  et plus rapide, mais plus chère.
• La carte
  XD ou XD-Picture Card : Elle
  offre un stockage maximal de 2 Go en septembre 2006. Elle est surtout
  utilisée par les APN des marques Olympus
  et Fujifilm
• SmartMedia cards (SM) : Support
  fin, sans électronique embarquée. En voie de disparition : les constructeurs
  qui soutiennent ce format passent au xD Picture. De plus, il existe deux types
  de cartes suivant l’alimentation (3 V ou 5 V). Appelées
  aussi SSFDC (Solid State Floppy Disk Card).
• La carte
  MMC ou MultiMedia Card : Cartes
  beaucoup plus petites que les précédentes.
• La carte PCMCIA :
  Carte d’un gabarit plus important, se connectant directement sur le port PCMCIA
  des ordinateurs portables.
• Mini SD : version réduite de
  la SD classique, utilisée dans certains téléphones mobiles anciens, elle est
  généralement livrée avec un adaptateur pour les lecteur SD classiques.
• Micro
  SD ou Transflash : version minuscule de la SD, souvent utilisée
  dans les téléphones portables et également vendue avec un adaptateur pour
  les SD classiques.
• SDHC : (SD High Capacity) :
  Version améliorée des SD, pour pallier à la limite des 4 Go des SD classiques,
  elles sont déclinées dans les 3 formats SD, Mini SD et Micro SD
• SSD : Type de cartes flash
  utilisant la technologie SLC
  (certains constructeurs produisent des SLC en utilisant la technologie SaDPT
  (Self-Aligned Double Patterning Technology)), elles ont un temps de réponse
  beaucoup plus court, un meilleur débit et des capacité mémoires plus élevée,
  certains constructeurs produisent déjà (fin 2007) des puces SSD de 32Go.

Tailles comparées des différentes cartes

(toutes les dimensions en mm, et les masses en grammes)

Memory Stick

La mémoire Memory
Stick (notée MS) est un type de carte mémoire créé conjointement par Sony
et SanDisk en janvier 2000.
L’architecture des cartes Memory Stick est basée sur des circuits de mémoire
flash de type NAND.
La mémoire Memory Stick originale est de petites dimensions (21,5 mm x 50 mm
x 2,8 mm), équivalentes à celles d’une petite boîte d’allumettes, et pèse à
peine 4 g.

La Memory Stick se décline dorénavant en trois dimensions :

Memory Stick : 50 x 21,5 x 2,8mm. Poids :
4g ;

Memory Stick Duo : 31 x 20 x 1,6mm.
Poids : 2g ;

Memory Stick Micro ou M2 : 15 x 12,5
x 1,2mm. Poids : 1g.

Si le Memory Stick a rétréci pour s’intégrer dans
les appareils mobiles ultra compacts, il délivre néanmoins les mêmes fonctions
et performances que le Memory Stick de taille "standard". Seuls les
qualificatifs PRO, PRO High Speed ou PRO-HG témoignent d’une différence de technologie.
C’est pourquoi, il existe des adaptateurs pour insérer et utiliser les cartes
Duo ou Micro dans des lecteurs pour Memory Stick classiques. Il en existe également
un pour utiliser les cartes Micro dans un lecteur de cartes Duo.

Toutes les cartes actuelles au format Standard et Duo sont
équipées d’un connecteur latéral possédant 10 broches. Les cartes Micro comportent
11 broches et les futures technologies PRO-HG nécessiteront un connecteur à
14 contacts.

Pour une compatibilité ascendante avec les anciens
appareils, les cartes Memory Stick PRO et plus récentes sont également capables
de fonctionner en série mais avec des débits inférieurs. Les lecteurs MS Pro
peuvent lire et écrire des cartes MS classiques, mais les lecteurs MS classiques
ne peuvent ni lire ni écrire les cartes MS Pro.

De plus, pour lire les cartes Memory Stick PRO d’une
capacité supérieure à 2 Go, votre appareil doit non seulement prendre en charge
les Memory Stick PRO, mais aussi utiliser le système de fichier FAT32.

La technologie «Magic Gate» est la solution Sony
de protection des droits d’auteur, utilisée notamment dans le format audio ATRAC
3. Cela n’empêche en aucun cas les appareils n’utilisant pas cette technologie
de fonctionner avec des cartes Magic Gate.

Il existe aussi un modèle particulier, dit «with
Memory Select Function» (à sélection de mémoire), qui sépare physiquement la
mémoire disponible en 2 parties égales. Le choix de l’une ou l’autre partition
se fait par un interrupteur au dos de la carte.

Utilisation Cinéma : La carte
Memory Stick est principalement utilisée pour stocker des données caméra, comme
des LUT, des choix de gamma etc. par exemple sur les camera HD Sony.

Compact Flash

La mémoire CompactFlash
(notée parfois CF) est un type de carte mémoire créé en 1994 par la firme SanDisk.
La mémoire CompactFlash est constituée d’un contrôleur mémoire et de mémoire
flash contenus dans un boîtier de faibles dimensions (42,8 mm de largeur et
36,4 mm de hauteur), de taille inférieure à une petite boîte d’allumettes, et
pesant 11,4 g. Les capacités disponibles actuellement vont de 8 Mo à 16
Go.

Les cartes CompactFlash sont conformes à la norme PCMCIA
si ce n’est que le connecteur possède 50 broches au lieu des 68 broches des
cartes PCMCIA. Cependant, la norme CF respecte la norme ATA malgré les broches
manquantes. Ainsi il est possible d’enficher une carte CompactFlash dans un
emplacement PCMCIA passif de type II. Les CF fonctionnent aussi bien à la tension
de 3,3 V qu’à 5 V.

Il existe deux types de cartes Compact Flash : Les
cartes CF-I et les cartes CF-II qui ne se distinguent que par leur épaisseur
(les CF-I font 3,3 mm d’épaisseur, contre 5 mm pour les CF-II). Une carte CF-I
rentre donc dans un support CF-II, mais pas le contraire.

 La consommation électrique est identique pour
les deux formats. Il y a deux vitesses principales de fonctionnement, définies
par les version 1.0 (CF original) et 2.0 (CF+ / CF2.0) des spécifications. Les
CF+ offrent un débit maximal de 16 Mo/s et une capacité maximale de 137 Go.
La spécification 3.0 des cartes CF définit un débit maximal de 66 Mo/s pour
une capacité maximale inchangée. Il est recommandé d’utiliser des cartes dites
rapides pour les appareils reflex numériques. En effet la rapidité d’enregistrement
des cartes risque de jouer sur la vitesse maximale du mode rafale de
ces appareils (nombre maximal d’images par seconde).

Le format Compact Flash est aussi utilisé pour fournir
des cartes de communication, telles que modems, cartes Ethernet, ports série,
adaptateurs bluetooth
ou wifi,
etc. La plupart sont au format CF-I. Enfin, des cartes CF-II contenant un mini
disque dur magnétique microdrive sont commercialisées.

Ce support de stockage présente toutefois une fragilité
liée à l’utilisation de multiples broches pénétrantes. C’est une des raisons
de son abandon progressif, dans le cadre d’un usage grand public, au profit
du format SD
qui offre des capacités de stockage désormais très proches tout en étant plus
robustes (contacts externes) et plus compactes.

Sa fiabilité face aux autres supports en fait la
carte privilégiée des professionnels de la photographie.

Utilisation Cinéma : La compact
Flash a été adoptée par Grass Valley pour son « Infinity », en complément
des disques REV : Deux emplacements à compact flash sont proposés. REDONE
propose aussi en option pour sa camera un emplacement à CF, et travaille actuellement
à la conception de CF de 32 et 64Go.

PCMCIA

Le format PCMCIA offre la possibilité d’effectuer
des branchements à chaud (Hot Plug
en anglais),
c’est-à-dire qu’on peut brancher et débrancher les cartes sans éteindre et redémarrer
l’ordinateur ou le périphérique. Ce bus
informatique a une longueur de 32 bits (au format CardBus, et 16 bits au
format PC Card) et est cadencé à 33 MHz. Il peut transmettre 32×33×10⁶
bits par seconde soit 132 Méga-octets
par seconde de débit théorique.

Il en existe deux sortes, numérotées 1 et 2. La
deuxième comporte trois sous-types différenciés par leur épaisseur :

• Type I, épaisseur 3,3 mm. C’est la carte la plus fine, elle est utilisée
  pour la mémoire flash.
• Type II, épaisseur 5 mm. Elle est utilisée pour le modem et la carte
  réseau.
• Type III, épaisseur 10,5 mm. C’est la carte la plus volumineuse, elle
  est utilisée pour le disque dur et les cartes combinées modem/réseau.

Le format "PC Card", décrit ci-dessus
ne subit plus de développement. Il est remplacé par un nouveau format l’ExpressCard^.
Dont le développement est toujours contrôlé par l’association "PCMCIA".

Utilisation Cinéma : Actuellement
aucune caméra ne fonctionne avec des cartes PCMCIA, néanmoins la plupart des
cartes se veulent compatibles avec ce format, afin d’offrir la possibilité de
plugger les cartes directement sur un port PCMCIA.

SD CARD

Compatible avec la carte
MMC, elle s’en distingue toutefois par la possibilité de chiffrer les données
et de gérer les « droits d’auteurs » via le standard SDMI. Elle dispose
aussi d’un interrupteur permettant d’interdire toute tentative d’écriture de
données (suppression, modification comme création de fichiers).

La vitesse d’une carte se compte en fois (×), 1×
signifie un débit en écriture de 150ko/s, comme un CD-ROM.
Les cartes font en général 45×, 80×, 90× et 150× même si les modèles les plus
rapides (et chers) atteignent 300×. Les débits de lectures sont plus rapides
d’environ 16 %.

En mai
2006,
sous l’impulsion de la SD Card Association (qui regroupe les constructeurs
de cartes), il a été décidé de ne plus indiquer la vitesse d’écritures des SD
cards en "(×)" mais d’utiliser le terme « classe » pour
indiquer les vitesses supportées par ces mêmes cartes, le numéro de classe étant
indiqué dans un petit cercle sur la carte.

Les cartes peuvent ainsi être classé dans l’une
des ces trois catégories, dépendant de leur vitesse d’écriture:

Carte de classe 2 : vitesse de 2 Mio/s
ou plus ;
Carte de classe 4 : vitesse de 4 Mio/s ou plus ;
Carte de classe 6 : vitesse de 6 Mio/s ou plus ;

En 2006, une nouvelle spécification SD voit le jour :
SDHC 2.0 (HC pour High Capacity ou haute capacité). Cette spécification a pour
but de contourner la limitation à 4 Go du précédent format, notamment en
utilisant le format de fichiers FAT32. Les cartes SDHC peuvent contenir de 4
à 32 Go de mémoire. Attention, un équipement (lecteur MP3, téléphone mobile
ou appareil photo numérique) qui peut recevoir une telle carte doit mentionner
spécifiquement sa compatibilité.

Un autre format de carte a vu le jour récemment,
le format "Mini-SD". Ce format de carte, de plus petite taille, est
utilisé principalement dans les baladeurs audio-numériques, les téléphones GSM
les plus récents et les consoles de jeux de nouvelle génération. La capacité
de stockage varie de 256 Mo à 2 Go pour ce format.

Utilisation Cinéma : Les cartes
P2 de Panasonic (cf. chapitre suivant) sont constituées à la base de quatre
SD CARD en série…

Panasonic et la carte P2

P2, synonyme de fiche de connexion professionnelle,
est une carte mémoire compacte à semi-conducteurs, conçue pour les usages AV
professionnels. Fondamentalement, quatre cartes mémoire SD sont regroupées pour
créer une carte P2 unique. Converti en grappe RAID 0, ceci donne à P2 quatre
fois la vitesse de transfert et quatre fois la capacité d’une carte mémoire
SD unique. Une carte P2 mince et d’une forte capacité de 8 Go (AJ-P2C008HG)
peut contenir 32 minutes d’enregistrement codec DVCPRO/DV tout en ne pesant
que dans les 45 grammes. Répondant aux standards des cartes PC (type II), la
carte P2 se connecte directement sur l’emplacement pour carte PCMCIA d’un ordinateur
portable.

 Les données AV se regroupent instantanément
en un fichier MXF à chaque coupe. Les données peuvent être utilisées immédiatement
– sans numérisation – pour l’édition non linéaire ou elles peuvent être transférées
sur un réseau. Les cartes P2 transfèrent les données à une vitesse maximale
de 640 Mbps .

Les cartes P2 sont d’une grande fiabilité même dans
des conditions difficiles. Elles résistent aux chocs de 1.500 G maximum et aux
vibrations de 15 G maximum, elles fonctionnent sous des températures allant
de -20 à 60°C et elles peuvent être stockées sous des températures comprises
entre -40 et 80°C. Pour ce qui est de leur stabilité, les cartes P2 durent plus
longtemps que les cartes d’ordinateur courantes.  Leur connecteur, par
exemple, a été conçu pour des usages professionnels et a subi avec succès les
tests d’introduction/de retrait de plus de 30 000 cycles. Les cartes P2 ont
également un commutateur d’interdiction d’écriture, ce qui empêche d’effacer
des données par inadvertance.

Le seul désavantage de ces cartes est leur prix
– 700 $ pour une carte de 8 Go, 1 800 $ pour la version 32 Go .

Utilisation cinéma : Les cartes
P2 accompagnent la plupart des caméras de la gamme Panasonic, et plusieurs enregistreurs
portables sont proposés afin de décharger les cartes en tournage. Les divers
logiciels d’editing prennent en charge le format issu des cartes P2.

Sony et la carte SxS

Sony France a présenté récemment la caméra XDCAM
EX annoncée au NAB et qui devrait sortir en fin d’année 2007. Cette caméra propose
un enregistrement sur une nouvelle cartes flash : la carte SxS, de type
PCI-Express. Le format exploité serait du MPEG-2 TS 4:2:0 en 25Mb/s CBR (1440×1080
pixels (HDV)) ou 35Mb/s VBR (1920×1080 pixels ou en 1280×720 pixels). Pourtant
les cartes SxS présentent un débit maximal de 800Mb/s.

Les ports intégrés à la caméra sont bien des ports ExpressCard donc Sony joue
bien la carte d’utilisation du standard ExpressCard sans création d’une version
propriétaire (contrairement par exemple à la démarche de Sony dans le domaine
des cartes mémoires avec son modèle maison "Memory Stick"). Le prix
des cartes mémoires PCI-Express est annoncé à un prix inférieur à leur équivalent
à capacité égale en PCMCIA.

Contrairement aux modèles présentés
par Transcend récemment, les cartes SxS utiliseront le lien PCI-Express
de l’ExpressCard, et pas le lien USB 2.0.  Les cartes SxS sont au format
ExpressCard/34, et Sandisk annonce un taux de transfert de 100 Mo/s (800 mégabits),
mais n’indique pas s’il s’agit de la vitesse d’écriture ou de lecture.

Utilisation Cinéma : La carte
SxS vient de faire son apparition avec la première caméra  Sony dite « XDCAM
EX ». A suivre sur la suite de la gamme ?

REDONE et le SATA FLASH 1’8

REDONE propose en option sur sa caméra trois lecteurs/enregistreurs
de cartes mémoire différents : Un emplacement pour Compact Flash, un pour
ExpressCard/34, et enfin un pour SATA FLASH 1’8.

Le SATA FLASH 1’8 est basé sur la technologie de
mémoire flash, sur la base d’un disque dur magnétique standard. Il se branche
sur slot IDE ou SATA, et agit comme un disque dur classique. Il a été testé
pour plus de 3 millions d’heures de fonctionnement.

Peu d’informations sont disponibles sur les véritables
avantages/inconvénients de ce système…
 

CONCLUSION :

A l’évidence, la tendance actuelle est à l’augmentation
des capacités des différentes cartes mémoire, la barre des 64Go est à peine
atteinte, et presque déjà dépassée. Cela attire les regards des constructeurs
de caméra, qui y voient un moyen léger et pratique de stocker les ruches, sans
le danger présenté par les disques durs, sensibles aux chocs et aux problèmes
mécaniques. Le problème reste les débits maximaux d’écriture afin d’envisager
d’y stocker un flux 2K voire 4K non compressé. P2 semble avoir temporairement
résolu ce problème, en associant quatre SD Cards en RAID 0… 

Si Sony, et RED, proposent à leur tour des solutions
à base de cartes mémoire, il faut y voir le signe du développement d’une solution
« tape-less » des plus prometteuse…

SOURCES :

• Les divers exposants du SATIS
• www.presence-pc.com/actualite/p2-panasonic-32go-22842/
• www.reduser.net
• www.commentcamarche.net/pc/pcmcia-pc-card.php3
• http://fr.wikipedia.org/wiki/Carte_m%C3%A9moire
• http://fr.wikipedia.org/wiki/Carte_SD
• www.delkin.com/products/adapters/expresscard34/
• http://en.wikipedia.org/wiki/ExpressCard
• www.thomsongrassvalley.com/products/infinity/camcorder/
• www.sandisk.com/

La qualité des différentes sources d’images numériques et leur restitution par des écrans de plus en plus grands et parfaitement plats, ne cesse de croître dans une dynamique de baisse des coûts. Les principaux fournisseurs de contenus audiovisuels ont déjà introduit l’image numérique haute définition dans leurs productions pour une part très significative en ce qui concerne le cinéma et en forte croissance pour la télévision. Enfin, l’argument qui consistait à dire, il y a 10 ans, que la haute définition n’apportait pratiquement rien compte tenu de la taille relativement réduite des écrans de télévision est en train de s’inverser.
En effet aujourd’hui, les grands écrans se démocratisent et vont très rapidement révéler l’intérêt, voire créer la nécessité, d’une meilleure définition pour ne pas diminuer, mais bien au contraire, pour augmenter la résolution des images.

La résolution d’une image détermine la distance minimale à laquelle on peut la regarder !
Le pouvoir de résolution d’un système optique désigne sa capacité à distinguer des détails fins. Il est défini comme la distance angulaire minimale entre deux éléments d’un objet qui permet d’en obtenir deux images séparées (pouvoir séparateur); on dit alors que l’objet est résolu.
Le pouvoir de résolution de l’œil humain est au mieux d’une minute d’angle, soit environ 100 km sur la surface de la lune vue de la Terre ou encore une fourmi à 10 mètres de distance.

Les détails dont la finesse correspond à un angle de vue inférieur ne pourront pas être résolus. Ils seront confondus et leur éventuelle restitution au niveau des points (pixels) constituant l’image est strictement inutile.
Si l’on considère que le pixel est le plus petit élément d’une image, la résolution de cette image est tout simplement le rapport entre le nombre de pixels qui la compose et ses dimensions réelles sur un support physique. Ce rapport s’exprime en nombre de pixels par unité de surface.
Pour une résolution donnée, on peut donc calculer la distance minimale à partir de laquelle notre œil sera en limite de résolution, distance qui ne nous permettra donc pas de distinguer les pixels constituant l’image mais de la percevoir de manière continue.

Résolution (Pixel/mm²) 0,01 0,05 0,1 0,5 1 5 10 50 100 500
Distance (mètre) 34,38 15,37 10,47 4,86 3,44 1,54 1,09 0,49 0,344 0,15

A perception égale, la résolution peut donc diminuer comme le carré de la distance de vision. Il faut 100 p/mm² à 34 cm et seulement 1p/mm² à 3,4 m. Soulignons également que l’œil est moins exigeant pour la vision des couleurs.

A titre d’exemple, une photo (en noir et blanc) de dimensions 40×30 cm que l’on souhaite regarder à 34 cm devrait comporter environ 100 p/mm², soit : 100x400x300 = 12 000 000 pixels
La même finesse de reproduction sera obtenue pour la même image sur un écran d’un mètre de diagonale (soit environ 86,4 x 48,6 cm), observée à 1,5 m de distance ; à condition que sa résolution soit au moins de 5 p/mm², soit 5x864x486 = 2 099 520 pixels.

En limite de résolution, la définition d’une image détermine l’angle (solide) qu’elle occupe dans notre cône de vision !
Une image possédant 1920 pixels en largeur et 1080 en hauteur aura une définition de 1920 par 1080 pixels, notée 1920 x 1080, soit : 2 073 600 pixels. Sur un écran de 86,4 x 48,6 cm la résolution correspondante sera de l’ordre de 5 p/mm² (= 2 073 600 / 864 x 486) et la distance limite de l’ordre de 1,55 m d’où un angle de vue horizontal d’environ 31,2 degrés.
Le tableau suivant donne l’angle de vue horizontal occupé par une image de 86,4 cm de large, pour différentes définitions horizontales, en conservant la distance limite de résolution propre à chaque cas de figure.

Définition horizontale (Pixel) 640 720 800 960 1280 1920
Angle horizontal (degré) 10,6 12 13,3 15,9 21,1 31,2
TVSD TVHD
Comme on peut le constater, en limite de résolution, une plus grande définition augmente l’angle sous lequel l’image est vue. L’ordre de grandeur est d’environ 1 degré pour 60 pixels près de l’axe de vision.
A résolution identique, la définition du format 1920 x 1080, dit « full HD » est 5 fois plus grande qu’en TVSD.

Comparaison des formats TVHD (en rouge) avec les formats de la TVSD actuelle
(en vert, vert pointillé : format US).
A résolution identique, la définition du format 1920×1080 est 5 fois plus grande.

Comparaison TVSD/TVHD en limite de résolution.
En pratique, le format « full HD » c’est donc une image 5 fois mieux définie que l’on peut regarder environ 2 fois plus près (relativement aux dimensions de l’écran) et sous un angle horizontal presque 3 fois plus large.

Quelles sont les normes de la TVHD aujourd’hui ?
Les deux normes fondatrices de la télévision haute définition et du cinéma numérique ont été écrites par la SMPTE.
La norme SMPTE 274 M, adoptée en 1995, regroupe les formats d’aspect 16/9 : 1920×1080 pixels utiles (dans un format 2200×1125) destinés à la télévision avec un balayage entrelacé (50 et 60 Hz) et ceux destinés au cinéma avec un balayage progressif (24, 25, 30 Hz et 60 Hz prévu pour le futur).
La norme SMPTE 296 M adoptée en 1997 définit le format d’aspect 16/9 : 1280×720 pixels utiles (dans un format 1650×750) pour la télévision.
Ces normes indiquent notamment les fréquences d’échantillonnage, luminance et chrominance ainsi que le nombre de bits de quantification qui déterminent le débit ou CDR (Common Data Rate) de l’interface de transmission des signaux video appelée HD-SDI (Serial Digital Interface) et décrite dans la norme SMPTE 292 M.
Enfin, la quatrième version de la norme mondiale de spécification de l’image numérique haute définition de l’UIT (Union Internationale des Télécommunications), la recommandation UIT-R BT.709-4 de mai 2000, décrit le format 1080 1920 progressif, noté  » p  » (progressive) pour 24, 25, 30, 50 et 60 images par seconde, le format entrelacé, noté  » i  » (interlaced) pour 50 et 60 trames par seconde, ainsi que le format progressif segmenté noté  » PsF  » (Progressive segmented Frame), marquant l’avènement de ce format pour la TVHD. Il s’agit en fait du découpage d’une image  » p » en deux segments A et B (pour ne pas les confondre avec des trames paire et impaire), de manière à pouvoir réutiliser le matériel de transmission et d’enregistrement prévu pour les images  » i « .
On remarquera que le format 4/3 (=1,33) du DVD (équivalent au PAL ou au SECAM) soit : 720×576 (de rapport 1,25) n’est pas un format  » pixel carré « . Si l’on applique la notion de  » pixel carré  » en conservant la définition horizontale, le nombre de lignes permettant de satisfaire cette contrainte est de 720/4×3 = 540 lignes. Le format 16/9 correspondant comporte alors : 960×540 pixels. Remarquons ensuite que le nombre de lignes correspondant à cette nouvelle définition horizontale pour un format 4/3 est égale à 960/4×3 = 720 lignes.

Les deux principaux formats HD (en rouge) et leur relation avec le format européen actuel (en vert).

Ces remarques nous permettent de constater que le format 1920×1080 est un format dont les définitions horizontale et verticale sont respectivement égales au double de celles d’une version 16/9 de l’actuel DVD auquel on aurait appliqué la notion de  » pixel carré « . Le format 1280×720 est, quant à lui, un format dont la définition verticale correspond à celle d’un retour en 4/3, à définition horizontale constante, du format DVD 16/9 précédemment défini. Sa définition horizontale est alors celle du format 16/9 calculé sur cette nouvelle base, soit 720*16/9 = 1280 pixels.

Les facteurs clés d’une bonne TVHD

La pertinence des données conservées par le codeur perceptuel
En matière de qualité, la définition d’une image n’est qu’un critère qui devient tout relatif lorsque l’image numérisée est codée pour être enregistrée, transportée, diffusée ou restituée.
En supposant que l’on veuille enregistrer le flux numérique sortant de l’analyseur d’une caméra fournissant 25 images HD (1920×1080) par seconde, nous ne pourrions enregistrer qu’une vingtaine de secondes sur un DVD classique ! Il est donc impératif de réduire ce débit d’informations, c’est ce que va faire l’algorithme de réduction de débit, en éliminant les redondances mathématiques (compression sans perte) et les redondances psychovisuelles (compression avec pertes).
Le ou les codeurs que l’on interpose entre la camera et le téléviseur vont éliminer jusqu’à 99,5% des informations initiales.

Importance du codage perceptuel de l’image. Tout l’art consiste à ne retenir que le minimum d’information, celles qui sont réellement perçues par notre oeil.

L’absence de filtrage spatial ou l’identité des formats de capture et de restitution
Les techniques numériques permettent de réaliser sans difficultés particulières toutes sortes de filtrages permettant de modifier la résolution d’une image pour qu’elle puisse être restituée sur n’importe quelle taille imposée par un support, dont les dimensions et la définition serait différentes du support ayant servi à sa capture. Cette facilité ne doit pas nous faire oublier que tout traitement ne peut qu’altérer l’intégrité de l’information initiale et qu’il est toujours préférable de restituer une image dans sa définition et son format d’origine.
A titre d’illustration la figure suivante permet de comparer, à résolution identique, les formats « audiovisuels » et les formats « informatiques ». Seul le format VGA correspond au format de télévision utilisé aux Etats-Unis. Les différences proviennent du fait que les formats audiovisuels ou cinématographiques (encore différents) résultent de compromis techniques ou historiques, tandis que les formats informatiques cherchent surtout les multiples des mots informatiques de 8, 16, 32 ou 64 bits utilisés pour les traitements d’images.

Comparaison des formats « Audiovisuels » et des formats « informatiques » (en noir).

L’absence de filtrage temporel ou l’identité des méthodes temporelles d’analyse et de restitution
Le balayage entrelacé
Depuis 1936, toutes les normes de télévision  » cathodique  » utilisent le système d’analyse/restitution entrelacé quelle que soit la définition de l’image. On peut considérer qu’il s’agit de la première application de la notion de codage perceptuel tirant partie des caractéristiques propres aux visions centrale et périphérique de l’œil humain.
L’image est analysée en deux trames, une pour les lignes paires puis l’autre pour les lignes impaires, d’où le qualificatif de balayage entrelacé puisque l’image n’est complète qu’après 2 balayages imbriqués successifs. Au lieu de transmettre 50 images par seconde, on ne transmet donc que 50 demi-images (ou trames) par seconde. Toutefois, la qualité perçue n’est pas réduite dans le même rapport car on tire partie du fait que la vision centrale de l’œil (la fovéa) est plus sensible à la définition qu’au mouvement alors que c’est le contraire pour la vision périphérique. Ainsi, lorsque la vision centrale (le regard) fixe une partie de l’écran, sa faible sensibilité temporelle ne lui permet pas de distinguer la présentation successive des deux trames, d’où la perception d’une définition nominale correspondant à la somme des lignes paires et impaires. Simultanément, la faible acuité de la vision périphérique ne lui permet pas de distinguer la trame paire de la trame impaire d’où une impression globale de scintillement atténuée, compte tenu du fait que la fréquence trame est deux fois plus élevée que la fréquence image.
Pour notre œil, tout se passe donc comme si on avait transmis N images (vision périphérique) possédant n lignes (vision centrale) par seconde, alors que l’on a transmis en réalité N trames de n/2 lignes par secondes.
La réduction de bande passante est donc l’avantage décisif du mode entrelacé qui conserve une bonne analyse du mouvement. En contrepartie, un certain scintillement est encore perceptible notamment sur les surfaces blanches compte tenu de la brillance des écrans de télévision qui est nettement plus élevée qu’au cinéma, de plus un détail présent sur une seule ligne accentue le phénomène du fait qu’il n’est présenté qu’une trame sur deux.

Le balayage progressif
Si l’économie de bande passante est une exigence pour les images diffusées, le problème ne se pose pas en informatique puisque l’unité centrale et l’écran d’un ordinateur sont reliés par un fil. De plus, la scission d’une image en deux trames complique inutilement les traitements logiciels que l’on peut imaginer sur des images complètes (remarque qui s’applique également aux algorithmes de plus en plus complexe mis en œuvre pour réduire le débit). Chaque image est donc prise dans son intégralité en un seul balayage ce qui rapproche ce mode dit progressif de la prise de vue cinématographique. L’apparition du balayage progressif dans les équipements vidéo apporte de nouveaux avantages tout en conservant la possibilité d’utiliser certains équipements conçus pour l’entrelacement grâce au mode  » PsF « .
Outre sa plus grande compatibilité avec le monde de l’informatique, l’absence de scintillement et la stabilité de l’image sont les avantages décisifs du balayage progressif. En contrepartie, la bande passante nécessaire est élevée et l’on perçoit quelquefois un effet stroboscopique ou de saccade comparable à celui du cinéma.

Balayage entrelacé ou progressif et progressif segmenté

Plus de lignes ou plus d’images ?
Le format d’échange international d’images numériques pour le cinéma en 24 images/seconde, le 1080/24p est considéré comme insuffisant pour le sport où il est nécessaire d’avoir 50 ou 60 images (ou trames pour la TV) par seconde pour les mouvements rapides.
La solution considérée comme le stade ultime de la HD est à l’évidence le 1080p/50 (ou mieux encore le 1080p/60 pour les pays 60 Hz) soit 50 (60) images  » progressives  » de 1080 lignes par seconde. Toutefois, compte tenu de la bande passante nécessaire en production (3 Gigabits/s), ce format est encore hors de portée commerciale. Pour rester raisonnable en termes de bande passante, il faut donc revenir au balayage entrelacé soit le 1080i/50. On constate toutefois que le format 720p/50 (qualifié  » EDTV  » pour Enhanced Digital TV dans la norme ATSC), plus économique en nombre de ligne (donc moins cher au niveau de l’écran de restitution) et compatible avec le monde de l’informatique, est très apprécié aux Etats Unis qui, rappelons-le, sortent d’un système de télévision analogique qui ne comporte que 480 lignes actives, le NTSC (que certains plaisantins traduisent par Never Twice The Same Color).
En fait, dans les toutes premières recherches sur la télévision, il a été démontré que, toutes choses égales par ailleurs, le balayage entrelacé donnait de meilleurs résultats que le balayage progressif. Cependant, le débat porte aujourd’hui entre un système entrelacé qui possède plus de lignes alors que son concurrent progressif comporte plus d’images par seconde, les deux formats étant compatibles avec le débit de la liaison HD-SDI à 1,485 Gbps.
Le schéma tridimensionnel ci-dessous permet une comparaison des 2 principaux systèmes en introduisant, au-delà du format proprement dit, la dimension temporelle relative à l’évolution de l’image dans le temps.

Représentation tridimensionnelle des deux principaux formats de TVHD (l’entrelacement qui ne peut pas être représenté exactement est symbolisé par un demi-volume)

Bien que la question de la qualité du rendu entre ces deux possibilités ne puisse pas être explorée de façon convaincante, compte tenu de la rareté des grands écrans plats conçus pour le balayage entrelacé, il est convenu de considérer que la qualité perçue est équivalente. En effet, entre du 1080i/50 et du 720p/50, la réduction est de 33 % en vertical (et proportionnellement en horizontal) ce qui aboutit à une différence totale faible de 11 %. Le choix du 720p/50 peut être motivé par le compromis qu’il représente entre un format standard et un format de type 1080p/50 qui reste exigeant en bande passante. Le 720p/50 a été ajouté dans la recommandation UIT-R BT.1543 pour compléter le texte qui autorisait déjà le format 720p/60.
Rappelons, en guise de conclusion provisoire, que l’affichage optimal d’une séquence d’images correspond avant tout à une restitution conforme à son mode de capture en respectant aussi bien les spécifications spatiales que les spécifications temporelles de cette dernière.

Le son 5.1
La qualité perceptuelle d’un signal de télévision dépend à la fois de la qualité de la vidéo et de celle de l’audio. Autrement dit, pour une expérience utilisateur optimale, la qualité des images est prépondérante mais la qualité du son est également déterminante.
La TVHD s’entend ainsi de préférence avec un son 5.1. Attention toutefois, la configuration spatiale des enceintes d’un système 5.1 est d’importance puisqu’elle conditionne directement la qualité du rendu et le réalisme des effets sonores.
Plusieurs normes de codage multi-voies existent. Par exemple la norme du format audio MPEG Surround a été ratifiée durant l’été 2006 par l’AES. Elle permet la diffusion de son multi-voies pour seulement quelques kbps additionnels. Le son 5.1 sera ainsi porté à un débit de 64 à 96 kbps, soit un gain d’un facteur 2-3 par rapport à un codage aacPlus traditionnel.
Le principe consiste à encoder, en aacPlus par exemple, le cœur du signal mono ou stéréo et d’y accoler les informations complémentaires de multi-voies. Le signal résultant reste donc compatible avec les récepteurs uniquement mono ou stéréo. L’avantage principal de cette technique est ainsi de permettre la diffusion multi-voies pour peu de débit additionnel et en évitant le simulcast du signal mono ou stéréo.